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研究生: 張雅智
Chang, Ya-Chih
論文名稱: 真空預力應用於紙結構之研究
Vacuum Prestressed Paper Structure
指導教授: 杜怡萱
Tu, Yi-Hsuan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 309
中文關鍵詞: 瓦楞紙板紙箱真空預力實構
外文關鍵詞: cardboard, corrugated board box, vacuum pre-stressed, practical construction
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  • 在地球資源匱乏的今日,伴隨永續發展的意識逐漸提高,輕量化結構與綠色材料的使用尤為重要。本研究結合瓦楞紙箱與真空預力系統,應用包裝產業已發展成熟而低成本的瓦楞紙箱作為填充元件,運用真空預力協助元件間的接合,減少黏膠、螺栓的用量,膜材同時作為防水被覆,以真空系統可逆的特性降低紙箱回收成本、提高可回收比例。整體系統組裝前重量輕、體積小且易於運送,可有效降低建築物的生命週期之耗能,使紙材作為真正的綠色材料應用於建築上。
    本研究首先以瓦楞紙板進行小尺度模型的試作,尋求可成功結合真空預力之結構系統。依模型發展紙箱作為真空預力系統之內部填充單元,紙箱間緊密貼合以傳遞軸向預力,使薄膜不受拉。為減少工具使用量,發展只使用紙板接合的插銷構件,並結合數位化設計軟體Grasshopper以參數快速分割曲面、攤平紙箱量體、繪製紙箱型版,以便多方探討模型設計提案並決定足尺紙箱單元大小。
    為掌握材料之基本性質,本文針對所使用的紙箱與薄膜材料進行材料試驗與構件試驗,探討方向差異對瓦楞紙板與薄膜強度造成的影響,再根據試驗結果,決定實構模型中瓦楞紙箱的楞向與薄膜的配置方向,並另以加勁板試驗探討紙箱箱面受真空預壓力時所需之面外補強措施。
    接著以MidasGen程式進行結構分析,檢討容許預壓力是否可有效抵銷撓曲拉應力,並根據分析結果修正設計外型。最後結合數位製造工具進行實構,經由預組立過程修正施工程序,完成僅需人力組裝搬運,施工誤差極小的足尺結構模型。完成後觀察記錄模型在室外環境中實際遭遇的問題,提出此系統之設計建議。

    In this study, the corrugated board boxes were utilized as structural elements. When combined with vacuum pre-stressed system, they could construct spaces and to be the application to architecture. The boxes were made use of spacing components in which the NY/LLDPE membrane was taken advantage of enveloping component and forming an airtight space. The pre-stress caused by pressure difference of the system and the atmosphere could engage components, and reduce the amount of glue or bolts. The membrane could be the waterproof coating simultaneously. Moreover, the reversibility of vacuum system could reduce the cost of recycling corrugated boards and increase the proportion of recyclable boards.
    Above all, several types of small-scaled models were assembled as trials to combine the corrugated board boxes with vacuum pre-stressed system. The sliding joints or latches, which used as connectors of the boxes, were developed in this study to reduce the usage of tools. Grasshopper, an algorithmic modeling software, was then used to divide the curved surface and output the expansion plan of the boxes.
    Material and element tests were performed to determine the mechanical properties of corrugated boards and membrane which might decide the material direction applied to the model. MidasGen, a structural analysis software, was used to confirm that the compression stress could compensate for the tensile stress which caused by the bending moment and the analysis result from MiadasGen was utilized to adjust the final form of structure
    Finally, a full-scaled model of pointed arch was practically constructed. By adopting digital manufacturing, a faster process and a more precise model is achieved. The structure could be constructed only with manual labor and was placed in external environment to observe and record the performance which could be a reference to designers or planers.

    圖目錄 V 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.1.1 研究動機 1 1.1.2 研究目的 2 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 紙構築相關研究 2 1.2.2 真空預力系統相關研究 10 1.3 研究流程與方法 13 1.4 章節概述 13 第二章 結構系統與設計概念 15 2.1 瓦楞紙板 15 2.1.1 瓦楞紙板常用詞彙定義 15 2.1.2 瓦楞紙板基本性質 17 2.2 真空預力系統 21 2.2.1 真空預力系統簡介 21 2.2.2 真空預力應用於紙構築之優勢 24 2.2.3 發展過程 24 2.2.4 內部填充紙箱之真空預力系統 28 2.3 紙箱設計 29 2.3.1 紙箱原型設計 29 2.3.2 數位化製備紙箱型板 31 2.3.3 接合部設計 35 2.3.4 小尺寸模型試作 38 2.4 設計造型提案 40 2.4.1 曲面薄殼 40 2.4.2 模型設定 44 第三章 材料及構件試驗 50 3.1 瓦楞紙板試驗 50 3.1.1 抗壓試驗 53 3.1.2 抗剪試驗 60 3.1.3 材料單位重量量測 70 3.1.4 紙箱壓縮強度試驗 72 3.1.5 插銷抗剪試驗 83 3.1.6 加勁板試驗 88 3.2 薄膜材料實驗 100 3.2.1 材料單位面積重量量測 100 3.2.2 抗拉試驗 102 3.3 小結 108 第四章 力學分析 110 4.1 分析設定與基本假設 110 4.1.1 抽氣設備限制 110 4.1.2 模型基本設定 111 4.1.3 預壓力設定 114 4.1.4 預壓應力分析方法 118 4.2 1:3縮尺圓拱模型預應力分析 119 4.2.1 模型設定 119 4.2.2 分析結果 121 4.3 足尺模型預應力分析 125 4.3.1 模型設定 125 4.3.2 分析結果 128 4.4 小結 136 第五章 施工規劃與實構過程 137 5.1 1:3縮尺模型設計與組立 137 5.1.1 尺寸造型設定、細部設計與施工規劃 137 5.1.2 組立過程 141 5.1.3 檢討與修正 147 5.2 足尺模型設計 148 5.2.1 造型與尺寸設定與基地選擇 148 5.2.2 單元規劃與細部設計 151 5.3 足尺模型組立過程 159 5.3.1 組裝瓦楞紙箱薄殼 159 5.3.2 薄膜製作 163 5.3.3 基礎安裝 167 5.3.4 整體模型組立 169 5.4 足尺模型成品 175 5.4.1 真空前後差異 175 5.4.2 實際使用情形 177 5.5 小結 183 第六章 結論與建議 184 6.1 結論 184 6.2 建議 187 參考文獻 190 附錄A 瓦楞紙板抗壓試驗破壞過程 192 附錄B 瓦楞紙板抗壓試驗試體最終破壞情形 199 附錄C 瓦楞紙板抗壓試驗各試體單層紙板力—位移圖 206 附錄D 瓦楞紙板抗剪試驗破壞過程 213 附錄E 瓦楞紙板抗剪試驗試體最終破壞情形 225 附錄F 瓦楞紙板抗剪試驗各試體單層紙板力—位移圖 232 附錄G 瓦楞紙箱壓縮強度試驗破壞過程 239 附錄H 瓦楞紙箱壓縮強度試驗試體最終破壞情形 256 附錄I 插銷抗剪試驗各試體破壞過程與破壞照片 262 附錄J 插銷抗剪試驗各試體力-位移關係與試驗結果 275 附錄K 薄膜抗拉試驗各試體應力應變關係圖 279

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